[参考译文] OPA210：用于极低电压输入信号的同相运算放大器增益

Alberto、

这是一个非常具有挑战性的问题。  所有运算放大器、电阻器和其他元件都会产生噪声。  您可以在 TINA SPICE 中运行“Analysis > Noise Analysis“、找出整个 1MHz 频率范围内的噪声。  下面是集成噪声图。  由于运算放大器电路没有滤波电容器、因此带宽受运算放大器带宽限制。  运算放大器和电阻器产生的总 RMS 噪声为 41uV RMS 或 246uVpp。  因此、您的噪声比用于配置的信号大很多倍。

以下是一些选项：

1. 可以选择噪声更低的运算放大器。  OPA211 是我们的超低噪声精密运算放大器。  您可能需要查看它并查看其他参数是否正常。
2. 可以降低电阻器值。  Rf = 500 和 RI = 50 Ω 已经很好了。  有效噪声电阻是两个电阻器的并联组合。  因此、等效电阻约为 50 欧姆、产生的噪声为 0.9nV/rtHz。  这对于 OPA210 非常好、但 OPA211 可以选用较小的电阻器。  例如、您可以将增益增加到 100、并使用 RF = 1k 和 RI = 10。  在任何情况下、您的电阻器都非常好、但可能需要改进。
3. 您应该在 RF 上添加一个滤波电容器、以将电路总带宽限制为 1MHz。
4. 假设您使用 OPA211 和低阻值电阻器、则仍然具有基本的物理限制。  如果 OPA211 带宽限制为 1MHz、则理想情况下的 RMS 噪声为 en =(1nV/rtHz)*sqrt (1MHz)= 1.38uV RMS。  将 RMS 转换为 PP 乘以 6。  这会使噪声达到 8.2uVpp。
5. 如果您尝试放大交流信号、可以将信号交流耦合到运算放大器中。  这将使您忽略输入失调电压误差、因为它们将被交流耦合阻断。  如果您需要放大直流信号、那么存在输入失调电压 (Vos) 的额外问题。  这是一个真正的问题、因为失调电压最低的器件通常没有良好的噪声。
6. 如果带宽显著降低、那么相对于信号的噪声值将较低。    例如、10kHz 带宽可提供 0.8uVpp 的噪声。  如果您确实需要 1MHz 带宽、您可能需要在放大器之后进行一些滤波。  例如、您可以获取 OPA210（或 OPA211）的输出并将其馈送到多个滤波器。  噪声在整个频率范围内相对恒定、因此一个通道的带宽可以是 10Hz 到 10kHz、 10kHz 到 100kHz、100kHz 到 500kHz 以及 500k 到 1MHz。 500kHz 到 1MHz 在 5.8uVpp 下仍然会有一点点噪声。  您也可以使用数字滤波器来实现这一点。

祝低噪声系统顺利。  希望这些建议有所帮助。

此致、艺术

Alberto、

1.是的、交流耦合会阻止直流信号、包括运算放大器的失调电压。  这在您的用例中非常有用、因为 10uV 是一个非常小的电压、并且大多数运算放大器的失调电压远大于此值。  此外、找到同时具有低失调电压和低噪声的运算放大器会更具挑战性、因此、您将只关注低噪声。

 2.操作 放大器高精度实验室有一个有关 PSRR 和 CMRR 的部分。  基本上、随着共模变化或电源变化、输入中会引入失调电压。  如果电源或共模信号为直流、则失调电压为直流。 在您的情况下、尝试放大的信号是 10uV 交流信号。  即使此信号通过直流电压、您也无需担心 CMRR 或 PSRR。  在您的情况下 CMRR 不重要的原因是、交流耦合会阻止由直流输入电压引入的任何直流失调电压。  在之前的测量中、您的信号是否施加了大的直流电压？  如果没有、我不理解 5%的误差、但我怀疑它来自 CMRR。  请观看视频。  它们将向您展示如何计算 CMRR 的影响。   运算放大器失调电压和偏置电流限制 还涵盖 CMRR 和 PSRR。

此致、艺术

Alberto、

OPA211 的增益带宽积为 18MHz。  在 11V/V 增益下使用该器件可将带宽降低到 1.6MHz。  您是对的、对于高于 100kHz 的信号、失真会增加。  您可能需要切换到 OPA211 或另一个速度更高的运算放大器、这在高频下具有更大的环路增益。 请注意、较小的信号不会有更多失真、但会产生较大的噪声误差。  对于小信号（由于噪声而不失真）、THD + N 将增加。  有关噪声和失真的资源、我将观看  高精度运算放大器实验室视频系列 。  噪声和失真有一个完整的部分。  失真部分讨论了失真与输入振幅之间的关系。

您会问“运算放大器能真正获得 PPM 精度吗“。  是的、您可以这样做、但在很宽的频率范围内这么做真的很有挑战性。  这主要回到了输入噪声。  从噪声角度来看、OPA211 是我们拥有的理想运算放大器。  通过将噪声频谱密度乘以带宽、可以实现非常基本的噪声计算。  这会产生 RMS 噪声。  要找到峰峰值、必须乘以 6。  对于 1MHz 带宽下的 OPA211、噪声为 1.1nV/rtHz * sqrt (1.57 * 1MHz)* 6 = 8.3uVpp。  因此、使用理想的运算放大器时、我们的峰峰值输入基准噪声为 8.3uVpp。  这非常接近输入信号的最小振幅 (10uVpp)。  因此、我认为使用具有 1MHz 带宽的简单运算放大器电路即使使用我们噪声出色的运算放大器、也不会获得很好的结果。  如果将电路拆分为多个带宽较低的滤波电路、每个子电路的噪声将较低。  这是我看到测量 10uVpp 信号的唯一方法。

希望这有所帮助。  此致、艺术

尊敬的艺术：

非常感谢您的时间和支持。 是的！ 我将根据您的分析和建议研究多级电路。 祝您假期愉快！ 新年快乐！

此致、

Alberto